Что Солнца свет Земле несёт?

В последние годы исследования глобальных изменений в окружающей среде вызывают повышенный интерес научной общественности. Одно из направлений этих исследований напрямую связано с изучением космических факторов, с их активным влиянием на биосферу, климат, погоду, активизацию тектонических процессов земли. При этом специалисты особое внимание уделяют более детальному и, главное, постоянному мониторингу этих процессов, а также моделированию и прогнозированию глобальных явлений в окружающей среде.

Запуск «Постоянного космического патруля» … позволит получить значительный экономический эффект при эксплуатации современной техники. Следовательно, этот космический проект научного назначения может и должен стать флагом современных солнечных исследований на автоматических космических аппаратах.
Академик Ж. И. Алфёров, лауреат Нобелевской премии

На Солнце периодически происходят мощные вспышки, в основном с увеличением потоков ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также с выбросом в космос горячей плазмы. Если область, где происходит вспышка, в момент события находится напротив Земли, то она имеет высокую геоэффективность. Это положение, при котором воздействие вспышечных событий на Солнце является максимальным и наиболее опасным для землян, особенно вследствие последующих магнитных бурь. Одним словом, во время и, главное, после сильных вспышек наша планета оказывается как бы на перекрестке «взрывных волн» — они могут стать причиной сильного недомогания у метеочувствительных жителей планеты.

Чем дольше мы изучаем Солнце, тем больше получаем загадок. Так, недавно ученым удалось установить, что солнечно-геомагнитная активность влияет и на техносферу гораздо более существенно, нежели полагали ранее. А ведь от этого напрямую зависит нормальное функционирование космической техники, систем радиосвязи, радионавигации, а также протяженных электросетей и трубопроводов.

В этой ситуации нельзя не спросить: действительно ли в последнее время резко возросла пагубность солнечного воздействия на наш земной мир? И возможно ли как-то, образно говоря, нивелировать это отрицательное воздействие? Обсудить эти и сопутствующие вопросы мы попросили известных специалистов в этой области — руководителя программы и главного конструктора оптико-электронной аппаратуры «Космический солнечно-магнитосферный патруль» доктора физико-математических наук из Всероссийского научного центра «Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова» Сергея Авакяна, его коллег Николая Воронина, Эдуарда Кувалдина, Никиту Леонова, Александра Савушкина, а также летчика-космонавта Владимира Ковалёнка и президента Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) Виктора Савиных.

В. Савиных: Насколько существенна связь солнечной активности с нашими земными атмосферными проблемами? Существует ли она вообще? И чего нам ждать в будущем?

Э. Кувалдин: Как известно, на коротковолновое, ионизирующее то есть, мягкое рентгеновское и крайнее ультрафиолетовое излучение Солнца приходится основная доля потока энергии, управляющего состоянием ионосферы Земли. Получается, что нам необходим перманентный мониторинг ионизирующего излучения Солнца, а по сей день к практическим постоянным измерениям так никто и не подобрался.

На самом деле, важен анализ вариаций потоков двух главных космических факторов — ионизирующего, то есть крайнего ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, и магнитосферных корпускулярных вторжений (высыпаний) в ионосферу во время геомагнитных возмущений. Но реально нет и постоянных измерений во время геомагнитных бурь на умеренных широтах спектра и потока высыпающихся из радиационных поясов электронов кэВ-энергий. А ведь именно они и вносят в периоды больших бурь основной вклад в возбуждение и ионизацию нижней ионосферы, а так же, например, в генерацию геомагнитно-индуцированных токов, ответственных за быструю наружную коррозию стальных трубопроводных систем, например нефтегазопроводов и водоводов.

Пока даже понимания физических процессов и явлений в верхней атмосфере, межпланетном пространстве и на Солнце явно недостаточно для установления каналов воздействия солнечно-магнитосферных возмущений на самые нижние атмосферные уровни (метеорологию), техносферу и нашу биосферу.


(фото: журнал "Российский космос")

В. Савиных: Каким же должно стать направление научной и практической деятельности в этой ситуации?

С. Авакян: Реальность влияния солнечно-геомагнитной активности на погодно-климатические характеристики, а также на биосферу, включая человека, можно объяснить только, если обнаруживается механизм передачи энергии, поглощенной в ионосфере, вниз — до земной поверхности.

Но для построения модели солнечно-земных связей по этому механизму необходимо знание полного спектра солнечного ионизирующего излучения, а не отрывочные сведения о потоках в отдельных диапазонах, или наиболее интенсивных линиях. К настоящему времени ни один из существующих и планируемых космических экспериментов не дает действительно непрерывных данных о потоке и спектре мягкого рентгеновского и крайнего УФ-излучения от всего диска Солнца. Аппаратура, скажем, на американском космическом аппарате TIMED дает информацию только каждые четыре минуты на витке длительностью в полтора часа и не предназначена для регистрации солнечных вспышек.

Что касается российской стороны, то хотел бы заметить, что вот уже несколько лет в нашем распоряжении имеется оптико-электронная аппаратура для космического патруля, созданная специалистами ВНЦ «Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова». Более того, еще два года назад руководство Роскосмоса на основании заключения ЦНИИ машиностроения объявило о всемерной поддержке и мировом приоритете этого космического эксперимента. Кстати, тогда же было заявлено, что реализовать этот проект вполне возможно на отечественных КА с солнечно-синхронной орбитой. Спектрометры можно установить и на космических аппаратах серии «Арктика». Важно, что Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук предлагает научное сопровождение этого уникального эксперимента.

И еще. Попутно получаемой от радиометров космического патруля информацией стала бы и постоянная регистрация абсолютных величин и углового распределения потоков кэВ-электронов, высыпающихся из радиационных поясов и магнитосферы в периоды геомагнитных возмущений, включая все магнитные бури, не только в полярных, но и на средних широтах. Всего этого ученые мира также практически лишены до настоящего времени. Так что предполагаемый уникальный космический эксперимент действительно будет «Космическим солнечно-магнитосферным патрулем».

Солнечные пятна — это темные области на диске Солнца, из которых вырывается плазма, создавая видимые изменения на его поверхности. В тех местах, где выходят сильные магнитные поля, образующие так называемые корональные петли, возникают крупные солнечные пятна, видимые даже невооруженным глазом. Вспышки на Солнце разделяют на три класса: C — слабые, M — умеренные и X — сильные. Последние могут вызывать повреждения спутников и коммуникационных космических систем, представляя также опасность для тех, кто находится в космосе, если одновременно генерируются солнечные космические лучи. Вспышки на Солнце сопровождаются выбросом в космическое пространство потока электронов, протонов и других частиц. Когда они достигают магнитосферы — зоны влияния магнитного поля Земли, происходит магнитная буря. Она вызывает вторжения корпускул (в основном электронов) из радиационных поясов в земную верхнюю атмосферу и ионосферу, что проявляется в виде известных полярных сияний.

В. Савиных: Какова научная составляющая «Космического патруля»?

Н. Воронин: Специалистам нашего Государственного оптического института имени С. И. Вавилова удалось смоделировать спектры энергичных ионосферных электронов ионизации и оптико-ионизационные характеристики плазмы верхней атмосферы в периоды солнечных вспышек и геомагнитных бурь. Действительно, в основном за счет резкого роста величины потоков энергии (квантов ионизирующей части солнечного спектра и корпускул — в спектре потока с включением вторичных электронов, который формируется в ионосфере при высыпаниях из радиационных поясов) и осуществляются наиболее заметные эффекты солнечно-земных связей.

Но поскольку оптические характеристики атмосферы Земли параллельно меняются из-за вторжений модулированного потока космических лучей галактического и солнечного происхождения, нам было крайне важно проанализировать эти изменения совместно. Кстати, тут же выяснилось, что уменьшение прозрачности нижней атмосферы может происходить не только в редкие случаи существенных вариаций космических лучей, а практически постоянно в периоды солнечных вспышек и геомагнитных бурь. И причиной этого явления как раз и считается в первую очередь усиление потоков коротковолнового — рентгеновского и крайнего УФ-излучения этих вспышек, а также буревых вторжений корпускул из радиационных поясов Земли.


(фото: журнал "Российский космос")

Учеными уже установлена прямая связь между числом тропических циклонов и частотой геомагнитных бурь. Более того, небезызвестный ураган Катрин также возник в период наисильнейшей геомагнитной бури. Основываясь на этих, известных ранее данных, можно полагать, что глобальные изменения климатической ситуации последних десятилетий определялись прохождением в середине 1980-х годов максимумов вековых циклов солнечной активности. После 1985 года полный, то есть интегральный поток солнечного излучения начал уменьшаться с одновременным ослаблением потока в диапазоне ионизирующего рентгеновского и крайнего УФ излучения. Но геомагнитная активность продолжала возрастать по 0,3 процента в год почти до конца 2003-го. Затем последовал спад — до 10 процентов ежегодно. Так что в итоге показатели уровня геомагнитной активности за семь последних лет сместились на позиции начала прошлого века, когда еще никакого глобального потепления не было.

Тогда можно дать сценарий понижения вклада деятельности Солнца в глобальное потепление в ближайшем будущем. Действительно, следует полагать, что впереди нас ожидает уменьшение облачности Земли за счет полупрозрачных, так называемых разогревающих облаков верхних ярусов земной атмосферы. Ведь очевидно, что такой тонкий механизм, как регулирование факторами солнечно-геомагнитной активности скоростей реакций диссоциации и ассоциации кластерных ионов паров воды, относится к зарождающимся, оптически тонким облакам, вне устойчивых циклонических или антициклонических образований. Для оптически толстых облаков, которые обычно играют охлаждающую роль (препятствуя солнечному нагреву земной нижней атмосферы), требуется гораздо большая энергетика и другие времена эволюции, чем сравнительно короткие всплески потоков при солнечных вспышках и магнитных бурях.

В. Савиных: Насколько мне известно, несмотря на важность и актуальность для солнечно-земной физики перманентного мониторинга ионизирующего излучения от всего диска Солнца, до настоящего времени этого никому сделать не удалось.

А. Савушкин: Никому, кроме нас... Дело в том, что главные трудности здесь заключаются в отсутствии приемников излучения с высокой степенью «слепоты» к видимому свету и в наличии в околоземном космическом пространстве энергичных частиц, легко проникающих через входную апертуру. Поток этих частиц, преимущественно электронов, создает на приемнике излучения спорадический сигнал, мешающий регистрации потока солнечного ионизирующего излучения.

А вот коллективу нашего института удалось разработать совершенно новую методологию абсолютных измерений солнечных ионизирующих потоков. Она основана на двух базовых элементах. Во-первых, у нас одновременно работают как рентгеновско-ультрафиолетовый радиометр с широкополосными фильтрами (из тонких пленок, фольги и кристаллов), так и дифракционные спектрометры нормального и скользящего падения высокого разрешения. Первый спектрометр функционирует в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (КУФ) спектра Солнца от 17 до 154 нм, второй рентгеновско-ультрафиолетовый (РУФ) спектрометр способен измерять спектр Солнца при всех уровнях активности в интервале длин волн от 1,8 до 198 нм.

Во-вторых, в комплексе аппаратуры «Космический патруль» используется два радиометра, один из которых не видит диск Солнца, но его ось располагается под небольшим углом к солнечному датчику и, таким образом, показания, полученные с помощью несолнечного прибора, позволяют иметь информацию о наличии в потоках энергичных заряженных частиц.

Н. Леонов: Полагаю, читателей «Российского космоса» интересует вопрос: имеются ли у нас практические результаты от использования этих замечательных разработок. Да, имеются. С помощью ИСЗ «Космос-381» специалистам нашего оптического института удалось получить полную информацию для регистрации абсолютных спектральных распределений потоков в отдельности как высыпающихся, так и захваченных электронов в диапазоне от 2 до 100 кэВ, включая учет вклада протонов. В нашей аппаратуре использован уникальный по степени «слепоты» открытый вторично-электронный умножитель — ВЭУ с фотокатодом из окиси бериллия, и этот приемник также создан в нашем институте. Благодаря большой величине ширины запрещенной зоны (около 8 эВ) такой ВЭУ абсолютно нечувствителен к видимой и мягкой УФ-области спектра и превосходит все известные аналоги по данному показателю в 106 раз. Это снимает постоянно испытываемые зарубежными исследователями проблемы исключения вклада рассеянного света внутри приборов и засветок через микроскопические отверстия в фильтрах и диафрагмах.

В. Савиных: Научная сторона вопроса, в общем-то, ясна. А чем в этой ситуации может помочь практическая космонавтика?

В. Ковалёнок: Присутствие хорошо подготовленных космонавтов-наблюдателей на борту орбитальных научных станций в длительных экспедициях позволяет наиболее рационально поставить работу по поиску и обнаружению неизвестных ранее явлений. Кстати, именно такие наблюдения мы с тобой вели на станции «Салют», которые привели к открытию новых представлений о вариациях в эмиссионном излучении верхней атмосферы и ионосферы, обусловленных воздействием гелиогеофизических возмущений. Этому способствовали конструктивные особенности отечественных орбитальных научных станций, максимально приспособленных для проведения оптических космических исследований. Так, станция «Салют-6» имела переходной отсек с четырьмя иллюминаторами большого диаметра, что позволяло космонавтам контролировать практически все окружающее пространство в перпендикулярных орбитальному движению направлениях. Главное, в этом обособленном отсеке можно было заблаговременно адаптировать свое зрение к наблюдению слабых свечений ночной верхней атмосферы.


(фото: журнал "Российский космос")

Именно в отечественных пилотируемых полетах были впервые зарегистрированы новые оптико-ионосферные явления волновой природы — горизонтальная неоднородность эмиссионного излучения верхней ионосферы и локальные быстропротекающие эффекты в свечении полярных сияний, а также явление реакции оптических и ионосферных параметров ночной F-области земной ионосферы на солнечные вспышки. Интересно, что обнаруженные периоды реакции ночной верхней ионосферы на солнечные вспышки сопровождались достаточно уникальным геофизическим явлением — практически полным отсутствием геомагнитных пульсаций различных видов как раз во время наблюдений космонавтов. Что здесь важно? А то, что нарушения ритмов этих пульсаций могут оказывать влияние на организм человека, если они по частотам близки к собственным биологическим ритмам человеческого организма. Этот вопрос очень важен в связи с планами пилотируемого полета к Марсу. Как известно, у Марса нет собственного магнитного поля, кроме того, сам межпланетный перелет будет проходить наибольшую часть времени вне земной магнитосферы. Следовательно, космонавты окажутся практически на все время экспедиции вне действия привычного ритма геомагнитных пульсаций.

В. Савиных: Чем это грозит экипажам космических станций?

В. Ковалёнок: Вот вам иллюстрация сказанного из опыта, скажем длительной экспедиции орбитальной станции «Салют-6». Когда в длительном полете отсутствовали геомагнитные пульсации — медики фиксировали повышенную нервную возбудимость членов экипажа и конфликтность взаимоотношений его членов. Более того, случались конфликты и при радиопереговорах с ЦУПом. Здесь налицо эффект воздействия одного из физических факторов космического пространства на космонавтов. И он обязательно должен быть принят во внимание при подготовке межпланетных экспедиций. Во всяком случае, необходимо разработать специальные предупредительные меры для сохранения работоспособности и здоровья экипажа.


(фото: журнал "Российский космос")

В. Савиных: Подводя итоги нашей беседы, мне хотелось бы подчеркнуть следующее. Для землян постоянный мониторинг солнечной активности весьма важен. Для того-то, собственно, и предлагается создать «Постоянный космический солнечно-магнитосферный патруль». Основа здесь, напомню, оптико-электронная аппаратура, включающая радиометры и спектрометры ионизирующего излучения, которые несколько лет назад разработали специалисты ВНЦ «Государственного оптического института имени С. И. Вавилова».

Что мы получим с реализацией этого важного проекта? Мы подтвердим качество отечественной научной школы, будет и уважение наших зарубежных коллег. Но не это главное. Запуск в космос аппаратуры «космического патруля» позволяет решить проблемы инструментального контроля всех главных факторов солнечно-геомагнитной активности, способных влиять на многие земные явления, в том числе на погодно-климатические характеристики, а возможно, и на биосферу, включая человека. После осуществления этого грандиозного космического эксперимента научное сообщество будет готово к прогнозированию космофизических проявлений в повседневной жизни.